HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機組交流變漿控制系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號專業(yè)班級電氣工程及其自動化2班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長20年 月日湖南大學(xué)畢業(yè)論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在老師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。學(xué)生簽名： 日期：20年月日畢業(yè)論文版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文。本論文屬于1、保密，在______年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密√。（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“√”）學(xué)生簽名： 日期：2015年月日指導(dǎo)教師簽名： 日期：2015年月日湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)第頁第1章緒論1.1風(fēng)力發(fā)電概述1.1.1風(fēng)力發(fā)電的意義與前景風(fēng)能是自然產(chǎn)生的取之不盡、用之不不竭而又不會產(chǎn)生任何污染的可再生資源。它因空氣流動做功而提供給人類的一種可利用的能量，因此被人們廣泛應(yīng)用。由于科學(xué)水平的進步，和風(fēng)能自身清潔、環(huán)保的特點，風(fēng)能被應(yīng)用到發(fā)電行業(yè)。早在很久以前它就被人們稱為“藍天白煤”。人類對于風(fēng)能的利用始于很久以前，最早可追溯到公元前3000年，可以說人類對于風(fēng)能的利用與關(guān)注從那時就開始了，而真正將風(fēng)能用于發(fā)電是在19世紀。丹麥建成了世界上第一個風(fēng)力發(fā)電裝置。但在其后的一段時間，世界處在對煤、石油的開采的滿足下，加上技術(shù)的不成熟，風(fēng)能發(fā)電并沒有得到及時的發(fā)展。受1973年世界范圍內(nèi)的石油危機和空氣動力學(xué)理論的發(fā)展的影響，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，人們開始重新審視，再次將視覺轉(zhuǎn)向風(fēng)力。風(fēng)電以其自身獨有的優(yōu)點，作為新能源的一部分才重新有了新的快速的發(fā)展。因此風(fēng)能發(fā)電設(shè)施日趨進步，大量的生產(chǎn)降低了成本，風(fēng)力發(fā)電也被普遍應(yīng)用。從1981年到1992年發(fā)電量的增長率就達到了13%。到2008年，全球以風(fēng)力產(chǎn)生的電力約有94.1百萬千瓦，這已超過全世界用電量的1%。風(fēng)能雖然對大多數(shù)國家而言還不是主要的能源，但在1999年到2005年之間已經(jīng)成長了四倍以上。而目前風(fēng)電保持著30%每年的增長率，大有與其他發(fā)電行業(yè)相媲美的趨勢。目前發(fā)電成本已接近常規(guī)發(fā)電方式，風(fēng)電規(guī)模也受國家政策及能源發(fā)展趨勢的影響高速擴大，風(fēng)電技術(shù)得到明顯提高。在2003年底，我國就已建成并網(wǎng)型風(fēng)電場40座，累計運行風(fēng)力發(fā)電機組1042臺，總?cè)萘窟_567.02MW，世界各地的風(fēng)電場更是數(shù)不勝數(shù)。雖說我國的風(fēng)電技術(shù)有明顯提高，但較之世界發(fā)展水平就遠遠落后，特別是一些發(fā)達國家。我國一些風(fēng)機依賴于國外進口或者與外商合作生產(chǎn)，現(xiàn)在生產(chǎn)的最大風(fēng)電機組功率接近1000千瓦，國際主流機型兆瓦級風(fēng)電設(shè)備在我國僅僅處于研發(fā)階段。這說明風(fēng)電在我國還有非常廣闊的發(fā)展空間。我國是世界上風(fēng)能最為豐富的國家之一，世界風(fēng)能也極為豐富，近乎無盡。因此風(fēng)力發(fā)電對于我乃至全球都具有十分廣闊的發(fā)展前景。首先，風(fēng)能無污染，可再生，而且資源豐富。風(fēng)電的發(fā)展具有重大的意義。其次，過去幾十年經(jīng)濟的高速發(fā)展，致使環(huán)境受到嚴重的污染。目前減少二氧化碳排放成為世界關(guān)心并要求共同實現(xiàn)的目標(biāo)，因此具有節(jié)能減排特征的風(fēng)能的應(yīng)用成為近來能源發(fā)展的方向。風(fēng)電的發(fā)展不僅與大氣環(huán)境相適應(yīng)，與國家經(jīng)濟、世界安全也是分不開的。一直以來風(fēng)電的發(fā)展都受到世界經(jīng)濟和其他能源的重大影響。就目前而言，風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟的、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。隨著風(fēng)輪機的大型化、高效化，風(fēng)力發(fā)電的成本在不斷下降，風(fēng)電價格已能與石油、煤、天然氣這些不可再生能源發(fā)電及核能競價。風(fēng)能自身可再生性，經(jīng)濟性，豐富性優(yōu)勢得到極大體現(xiàn)。而且在賦稅方面還受到國家的優(yōu)惠，假以時日，風(fēng)電極有可能能與水電一比高低。21世紀是高效、潔凈、安全、經(jīng)濟可持續(xù)利用能源的時代，世界各國都在向此方向發(fā)展，都把能源的利用作為科研領(lǐng)域的關(guān)鍵允以關(guān)注。而通過歷史的篩選，及近年來全球新能源的發(fā)展動向，我們可以看出風(fēng)能將成為能源開發(fā)的重要角色，而風(fēng)電也將隨之得到極大的發(fā)展。1.1.2世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀世界上第一個風(fēng)力發(fā)電的國家是丹麥，丹麥在1890年制造了第一個風(fēng)力發(fā)電機，一個多世紀以來，世界各國也加大對風(fēng)力設(shè)備的研究力度，風(fēng)能之所以如此受歡迎的主要原因是：1）開發(fā)利用可再生能源是落實科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型社會，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本要求。充足、安全、清潔的能源供應(yīng)是經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的基本保障。從根本上解決我國的能源問題，不斷滿足經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，保護環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，也是落實科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型社會的基本要求。2）風(fēng)能的成本與水電，火電相比下較低，維護也較簡單。風(fēng)力是一種潔凈的自然能源，其運行與維護成本均很低廉,同時不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。從丹麥建立第一個風(fēng)力發(fā)電機開始，截至1910年，已經(jīng)有幾百臺5-25kw的風(fēng)力發(fā)電機組在丹麥運行，同年美國荷蘭等國家也都有風(fēng)力發(fā)電機組的運行。1997年末，全世界約有7816mw的風(fēng)力發(fā)電得到了利用。其中歐洲的風(fēng)力發(fā)電為4774mw，美洲為1680mw，亞洲為1107mw，其他地區(qū)為250mw以上。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，在2001年到2005年的5年期間，全世界的新增風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量約為3900mw。2007年，全球風(fēng)能發(fā)電新增裝機容量超過了20GW。這也是全球新增風(fēng)能裝機總?cè)萘縿?chuàng)記錄的一年。1.1.3我國的風(fēng)力發(fā)電情況中國幅員遼闊，陸疆總長2萬多公里，海岸線1.8萬多公里，風(fēng)能資源豐富。\t"/news/201408/_blank"風(fēng)能資源取決于風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累積小時數(shù)。并且風(fēng)能資源受地形的影響較大。根據(jù)全國900多個氣象站將陸地上離地10m高度資料進行估算，得出中國風(fēng)能功率密度平均可以的達到為每平方米100w。我國風(fēng)能豐富，其資源總儲量達到了32.26億kW，可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲量有2.53億kW，近海能利用的風(fēng)能儲量有7.5億kW，共計約10億kW，是一個十分豐富的潛在能源庫，在中國未來的發(fā)展當(dāng)中肯定將是一個巨大的幫助。圖1我國的風(fēng)能資源分布廣泛，風(fēng)能資源的分布與天氣氣候有著十分密切的關(guān)系，我國風(fēng)能資源的發(fā)布從上圖可以清楚的看出，風(fēng)能資源可以分為豐富地區(qū)和較豐富地區(qū)兩個大帶里。三北（東北、華北、西北）地區(qū)豐富帶，風(fēng)能資源功率密度在每平方米200w到300w之間。其中個別地區(qū)風(fēng)能更為豐富，例如：達坂城、阿拉山口等其風(fēng)能功率密度可達到每平方米500w，可利用小時在5000小時以上。造成這個現(xiàn)象的主要原因是三北處于中高緯度地區(qū)。

2）沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能資源豐富，其形成的主要天氣氣候背景與三北地區(qū)基本相同，所不同的是海洋與大陸兩種截然不同的物質(zhì)所形成的。沿海及其島嶼地區(qū)風(fēng)能功率密度是每平方米200w以上。其中東山、大陳、馬公等地區(qū)風(fēng)能功率密度更是達到了每平方米500w，可利用小時數(shù)約為7000-8000小時。我國風(fēng)能分布區(qū)及占全國面積的百分比

太陽輻射到地球的能量約有2%轉(zhuǎn)化成了風(fēng)能，我國潛在風(fēng)能的估算：風(fēng)能總儲量為32.26億kw，實際開發(fā)10%，并且考慮到風(fēng)輪實際掃略面積為計算面積的0.785倍，所以實際可開發(fā)量為2.53億kw。

1.2風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涉及自動控制、空氣動力學(xué)、電機學(xué)、力學(xué)、機械學(xué)、材料學(xué)等多門學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能進而再轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中風(fēng)力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)完成風(fēng)能向機械能的轉(zhuǎn)化；電機及其控制系統(tǒng)完成機械能向電能的轉(zhuǎn)換。1.2.1風(fēng)力發(fā)電機組的主要類型風(fēng)力發(fā)電的主流機型有三種：和基于變速恒頻技術(shù)的變速型機組。風(fēng)力發(fā)電機組基本的技術(shù)特征主要是水平軸、上風(fēng)式三葉片風(fēng)機。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益發(fā)展，變速型風(fēng)力發(fā)電機已經(jīng)成為兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機的主流機型，其特點是在變距風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)上，采用了轉(zhuǎn)速可在大范圍變化的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機或者同步電機及其相應(yīng)的電力電子技術(shù)，通過對最佳葉尖速比的跟蹤，使風(fēng)力發(fā)電機組所在的風(fēng)速下可以獲得最佳的功率輸出。1.2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展已經(jīng)越來越迅速，單機容量也越來越大，并且已經(jīng)從恒速恒頻發(fā)電技術(shù)過渡到了變速變頻發(fā)電技術(shù)，機組也是越來越可靠，維護量也越來越小兆瓦級變速風(fēng)力發(fā)電機有很多，可分為兩類：1）應(yīng)用最廣泛的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)，2）具有良好應(yīng)用前景的變速恒頻直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組。雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的主要是由風(fēng)力機、雙向變頻器、增速箱、雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)和控制器等組成的。其中雙饋電機必須要配合變頻器使用。雙饋發(fā)電機的定子之所以能實現(xiàn)恒壓恒頻的輸出是因為變頻器給轉(zhuǎn)子中施加轉(zhuǎn)差頻率的電流進行勵磁，然后從而調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值、頻率、相位。并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)要求所需的發(fā)電機的功率輸出必須能追蹤風(fēng)力發(fā)電機所能捕獲的最大風(fēng)能。調(diào)節(jié)有功功率可通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，是風(fēng)力發(fā)電機組運行在最佳的葉尖比實現(xiàn)最大風(fēng)能的最大捕獲。變流器控制電機在亞同步和超同步轉(zhuǎn)速下都保持發(fā)電狀態(tài)。在超同步發(fā)電時，通過定轉(zhuǎn)子兩個通道同時向電網(wǎng)饋送能量，這時變流器將直流側(cè)能量饋送回電網(wǎng)。在亞同步發(fā)電時，通過定子向電網(wǎng)饋送能量、轉(zhuǎn)子吸收能量產(chǎn)生制動力矩使電機工作在發(fā)電狀態(tài)，變流系統(tǒng)雙向饋電，故稱雙饋技術(shù)。圖2如圖所示：風(fēng)輪與雙饋感應(yīng)發(fā)電機通過齒輪箱相連。定子接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接“AC-AC”“AC-DC-AC”或者“矩陣式”雙向變頻器，可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相位、幅值和相序等調(diào)節(jié)控制。其控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法可通過SPWM（正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)）和IGBT（絕緣柵雙極晶體管控制技術(shù)），而且可四象限運行。風(fēng)速是隨機的，要是定子頻率恒定可通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率。其控制的公式：f1=npfm±f2其中：f1-定子電流頻率，fm-轉(zhuǎn)子機械頻率，fm=np/60；np-極對數(shù)；f2-轉(zhuǎn)子電流頻率雙饋風(fēng)力發(fā)電機的功率流向分析，當(dāng)發(fā)電機的定子直接接在電網(wǎng)中的時候，交直交變換器與電網(wǎng)相接。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的運行可以分為次同步和超同步兩個階段，在根據(jù)轉(zhuǎn)子上由于轉(zhuǎn)差率的變換引起的功率傳播方向的不同，可把雙饋風(fēng)力發(fā)電機的分為四個狀態(tài)：超同步發(fā)電、超同步電動、次同步發(fā)電及其次同步電動。雙饋風(fēng)力發(fā)電機的功率流向如圖3所示：圖3亞同步轉(zhuǎn)速運行超同步轉(zhuǎn)速運行超同步發(fā)電狀態(tài)：電機的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率小于0。轉(zhuǎn)速方向與電磁轉(zhuǎn)矩的方向相反，發(fā)電機處于制動狀態(tài)。超同步電動：電機的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率小于0，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向同向，對電機起到驅(qū)動作用。次同步狀態(tài)：電機轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率大于0，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，對電機起到制動作用。次同步電動：電機的轉(zhuǎn)速系小于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率大于0.電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向是相同的。直驅(qū)式發(fā)電機組系統(tǒng)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機主要特點是：A.直驅(qū)式發(fā)電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動從而免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。B.直驅(qū)式發(fā)電機組具備低風(fēng)速時高效率、低噪音、高壽命、減小機組體積、降低運行維護成本等諸多優(yōu)點。C.發(fā)電機的極數(shù)非常大，通常在100極左右，很好的提高了發(fā)電效率。同時發(fā)電機的結(jié)構(gòu)也變得非常復(fù)雜，體積龐大，需要進行整機吊裝維護。D.永磁材料及稀土的使用增加了一些不確定因素當(dāng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)直流電勵磁或永磁同步發(fā)電機(以及籠型異步發(fā)電機等)時，變頻器設(shè)置在發(fā)電機定子側(cè)。隨著轉(zhuǎn)速不斷變化，發(fā)電機發(fā)出變頻交流電，經(jīng)整流和逆變，最終轉(zhuǎn)換成恒頻電源再并網(wǎng)發(fā)電，永磁直驅(qū)同步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4圖4驅(qū)發(fā)電機按照勵磁方式可分為電勵磁和永磁兩種。其中直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機組是近年的研究技術(shù)，該技術(shù)用永磁材料替代原來的電勵磁系統(tǒng)，發(fā)電結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕。直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器要完成以下功能：

1)最大限度捕獲風(fēng)能;2)較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，適用于風(fēng)力機變速運行;

3)可以靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率;4)采用先進的PWM控制技術(shù)可以抑制諧波，減小開關(guān)損耗，提高效率。直驅(qū)永磁風(fēng)機有的優(yōu)點：1）齒輪箱的減少，簡化了傳動結(jié)構(gòu)，減少了傳動損耗，提高的了發(fā)電機組的效率、穩(wěn)定性和可靠性（尤其在低轉(zhuǎn)速下）。2）齒輪箱舍去同樣也省去了齒輪箱的制造成本和維護費用，因此直驅(qū)式發(fā)電機降低了運行維護費用。3)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越電網(wǎng)和電網(wǎng)電壓下降，風(fēng)機在一定的電壓范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運行，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，具有良好的訪問性能其主要缺點如下：變頻器的使用增加了電機的成本，同時也導(dǎo)致控制體積變大。(2)永磁發(fā)電機功率因數(shù)特性差，必須由變頻器來進行補償；(3)永磁材料及稀土的使用增加了一些不確定因素，同時發(fā)電發(fā)熱產(chǎn)生高溫可能會降低永磁材料的穩(wěn)定性，導(dǎo)致永磁材料失效。而且高價的磁性材料也增加了電機的造價。

1.3．風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)

1.3.1傳統(tǒng)控制方法當(dāng)風(fēng)速變化時，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩或槳葉節(jié)距角，使葉尖速比保持最優(yōu)值，從而實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。因為風(fēng)速的不確定性和采用了線性控制方法，所以傳統(tǒng)的控制方法只能保證在線性化工作點。1.3.2現(xiàn)代控制方法變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)控制是控制系統(tǒng)設(shè)計方法的一種，適用于線性及非線性系統(tǒng)。包括控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，跟蹤，自適應(yīng)及不確定等系統(tǒng)。具有一些優(yōu)良特性，尤其是對加給系統(tǒng)的攝動和干擾有良好的自適應(yīng)性。。H∞魯棒控制H∞魯棒控制是近幾十年發(fā)展起來的一個比較成功且比較完善的理論體系，也一直是國際自控界的研究熱點。它在設(shè)計過程中考慮了數(shù)學(xué)模型所不具有的不確定性。相比于傳統(tǒng)控制方法有較好的優(yōu)勢。H∞控制理論是現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)變化趨勢也適應(yīng)實際工程而誕生的需要，設(shè)計理念的本質(zhì)是塑造（loopshaping）系統(tǒng)的頻率特性，并通過調(diào)整系統(tǒng)的頻域特性獲得預(yù)期的特性的方法，正是工程技術(shù)人員所熟悉的技術(shù)手段,也是經(jīng)典控制理論的根本。自適應(yīng)控制研究對象的自適應(yīng)控制具有不同程度不確定性，這里所謂的“不確定性”是描述被控對象和環(huán)境的不完全確定的數(shù)學(xué)模型，其中包含一些未知因素和隨機因素。這些不確定性往往體現(xiàn)在系統(tǒng)，有時系統(tǒng)外..在系統(tǒng)中，描述被控對象數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計者事先并不知道。對系統(tǒng)外部環(huán)境的影響可以在很多干擾表達..這些擾動通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量的不確定性時，系統(tǒng)進入系統(tǒng)。在各種不確定性和不確定性的因素下如何設(shè)計適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo)達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問題。模糊控制模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點是將專家的知識和經(jīng)驗表示為語言規(guī)則用于控制，不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對被調(diào)節(jié)對象有較強的魯棒性。"模糊"是人類感知萬物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特征。"模糊"比"清晰"所擁有的信息容量更大，內(nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。由于風(fēng)力發(fā)電機的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，模糊控制非常適合于風(fēng)力發(fā)電機組的控制，越來越受到風(fēng)電研究人員的重視。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)控制是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和控制理論的產(chǎn)品。這是發(fā)展的課題。它匯集了數(shù)學(xué)，生物學(xué)，生理學(xué)，遺傳學(xué)，腦科學(xué)，人工智能，計算機科學(xué)的學(xué)科，自動控制理論，技術(shù)，方法和研究結(jié)果。在控制領(lǐng)域，學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)稱為學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，屬于智能控制系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是學(xué)習(xí)能力，屬于學(xué)習(xí)控制，是智能控制的一個分支。1.4論文的主要研究內(nèi)容風(fēng)力發(fā)電作為發(fā)展最快的新能源之一，已經(jīng)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。各國政府研已經(jīng)投身到了新能源的爭奪戰(zhàn)中。該課題的主要任務(wù)就是在研究國內(nèi)外變槳距系統(tǒng)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對變槳距結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和計算，及對獨立變槳系統(tǒng)控制的研究。所做的具體內(nèi)容科總結(jié)為：首先廣泛查閱國內(nèi)外的先關(guān)文獻資料，了解風(fēng)力發(fā)電機的變槳系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和最新成果，在此基礎(chǔ)上，對變槳距結(jié)構(gòu)和風(fēng)力電機組的變槳控制問題進行綜述。討論了變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的特點以及運行狀態(tài)；利用空氣動力學(xué)理論，葉素理論，總結(jié)變槳控制的基本規(guī)律。確定風(fēng)力機的模型、永磁同步發(fā)電機模型，簡歷風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距控制模型，描述和模擬其動態(tài)特性，將統(tǒng)一變槳系統(tǒng)的結(jié)果和獨立變槳系統(tǒng)的結(jié)果進行比較。對全文進行總結(jié)，并對未來的研究成果工作提出展望。第2章風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距調(diào)節(jié)原理2.1空氣動力學(xué)基礎(chǔ)2.1.1風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)能的計算由流體學(xué)得，氣流的動能為：E=1/2mv2其中：m一氣體的質(zhì)量；v一氣體的速度。設(shè)單位時間內(nèi)氣流流過截面積為S的氣體的體積為V，則V=Sv如果以ρ表示空氣密度，該體積的空氣質(zhì)量為m=ρV=ρSv這時氣流所具有的動能為E=1/2ρSv3圖5如圖5：V1是距風(fēng)力機一定距離的上游風(fēng)速；V通過風(fēng)輪時的實際風(fēng)速，V2風(fēng)輪機較遠處的下游風(fēng)速。假設(shè)空氣是不能壓縮的，那么風(fēng)就是連續(xù)的，符合連續(xù)條件：S1v1=Sv=S2v2由Euler公式得出作用在風(fēng)輪上面的力：F=ρSv（v1-v2）所以其吸收的功率為：P=FV=ρSv2（v1-v2）從風(fēng)輪上游到下游，動能的變化量為：ΔE=1/2ρSv（v21-v22）可得出：v=（v1-v2）/2則得出作用在風(fēng)輪上的力和功率分別為：F=ρSv（v21-v22）/2P=ρSv（v21-v22）(v1+v2)/4根據(jù)數(shù)學(xué)原理，將上式進行微分在令其微分結(jié)果為零，得到兩個解：v2=-v1（沒有物理意義）；v2=v1/3，此時具有最大的功率。由此可以得出：Pmax=8ρSv21/27將上式中的Pmax與想比其結(jié)果就是Cpmax（理論最大風(fēng)能利用系數(shù)），其表達式為：由上式可知，風(fēng)力發(fā)電機從自然風(fēng)中索取的風(fēng)能是有限的。而且風(fēng)力機的實際風(fēng)能利用率系數(shù)Cp<0.593.風(fēng)能利用系數(shù)是衡量風(fēng)力機運行效率最重要的指標(biāo)之一，表示為：Cp（λ，β）=2P/ρSv3其中．λ葉尖速比，β槳葉節(jié)距角。用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來衡量不同狀態(tài)下的不同工作情況，葉尖速比：λ=2ΠRn/v=ωR/v其中n-是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；w是風(fēng)輪轉(zhuǎn)動角的角速度；R-風(fēng)輪的直徑。那么風(fēng)能利用率Cp可以近似表示為：由此繼續(xù)的出Cp-λ的特性圖，如下：圖6有圖6信息可得出：對于一個固定的槳葉節(jié)距角下，存在唯一的Cpmax對于任意的一個葉尖速比，槳葉角=0下的Cp相對最大，并且隨之槳葉節(jié)距角增大，風(fēng)能利用率系數(shù)Cp明顯減小。由上訴可得出變速恒頻變槳距控制的理論基礎(chǔ)：風(fēng)速比額定風(fēng)速低時的轉(zhuǎn)速控制在這個情況下風(fēng)力發(fā)電機組的運行可以不受到功率限制，此時槳葉節(jié)距角為0，風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)最主要的任務(wù)就是經(jīng)過變速恒頻裝置來跟蹤最佳Cp捕獲最大風(fēng)能，并輸出電能頻率不變。風(fēng)速高于額定風(fēng)速時的轉(zhuǎn)速控制風(fēng)速高于額定風(fēng)速的情況下的功率控制主要是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率系數(shù)來完成的。高風(fēng)速下風(fēng)輪的功率控制方法主要是有兩個的：1）利用發(fā)電機的反力矩；2)利用槳葉槳距角。這個兩個量的改變都能達到控制功率系數(shù)的目的。2.2葉素理論所謂的葉素就是把風(fēng)輪分為若干個微元。其受力分析如下：圖7利用數(shù)學(xué)知識取一dr的長度，玄長為l，節(jié)距角β。當(dāng)風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動時候會受到斜向上的一個力dF，可將dF分解為與角速度ω垂直和平行方向的上升力dL和阻力dD。由微分學(xué)原理dS=ldr。得出公式：12dL=Cllw2dr12dD=Cdlw2dr12其轉(zhuǎn)矩T=rlw2ClsinI(1-cotI)drCl,Cd為升力系數(shù)和阻力系數(shù)葉素上的速度與作用力如圖所示：其攻角α=φ-β圖82.3槳距角的控制2.3.1風(fēng)力機的變漿距控制原理對于變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機組，可以通過發(fā)電機直接控制載荷轉(zhuǎn)矩，所以風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速允許在一定的范圍內(nèi)進行變化。風(fēng)速比額定風(fēng)速低時的轉(zhuǎn)速控制時風(fēng)力發(fā)電機組的運行可以不受到功率限制，此時槳葉節(jié)距角為0，風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)最主要的任務(wù)就是經(jīng)過變速恒頻裝置來跟蹤最佳Cp捕獲最大風(fēng)能，并輸出電能頻率不變。風(fēng)速高于額定風(fēng)速的情況下的功率控制主要是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率系數(shù)來完成的風(fēng)力發(fā)電機吸收風(fēng)能產(chǎn)生的功率，其表達式為：P=Cpρv3S/2風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能為:PMEC=TΩΩ≈ρpCPR2v3/2其中式中：Pm一機械能；T一風(fēng)機機械矩；Q一風(fēng)機角速度；S一風(fēng)輪迎風(fēng)面積這里的扭矩丁是負載決定的.風(fēng)速一定，一定負載的情況下，P、R一常量?？傻蔑L(fēng)力機的轉(zhuǎn)速取決與風(fēng)力利用率Cp，由葉素特效理論得出理想情況下氣流與葉片個角度關(guān)系：F=α+βtgF=v/Ωr=1/λ其中：α-攻角；β-槳距角；F-傾角；λ-葉尖速比。再由力度平衡關(guān)系，風(fēng)力機機械扭矩：其中；Cq-扭矩系數(shù)；R-風(fēng)輪半徑。對于一風(fēng)力發(fā)電機組而言，若風(fēng)度和風(fēng)向一定時候，若增大攻角，升高系數(shù)Cl將變大，升阻也將增大，扭矩系數(shù)Cq也會增大。功率系數(shù)Cp與扭矩系數(shù)Cq的關(guān)系：CP=CQRΩ/v=Cqλ得知功率系數(shù)正比于扭矩系數(shù)，所以當(dāng)攻角增大的情況，Cp也會跟著增大；反之風(fēng)能利用率Cp減少。在一般情況下，變漿控制中用槳距來描述，當(dāng)槳距角增大時，風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降，反之，風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降。槳距定義為：H=2prtgβ所以通過改變風(fēng)力機安裝角就改變了槳距H，就可以待變風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速w，這就是風(fēng)力機變槳距控制的原理。2.4變槳距風(fēng)力發(fā)電機的運行狀態(tài)變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的有三種運行狀態(tài),分別是：啟動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率狀態(tài)（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。2.4.1啟動狀態(tài)風(fēng)力發(fā)電機組的沒啟動時候，節(jié)距角為90度。槳葉相當(dāng)于一塊阻尼板，這個時候氣流不會對其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。開始啟動時，風(fēng)速達到起動風(fēng)速時候槳距角開始變化，將會產(chǎn)生攻角，確保風(fēng)輪受到最大力矩的作用開始轉(zhuǎn)動，但是此時發(fā)電機組并沒有開始工作。在并網(wǎng)之前，發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號控制變槳距系統(tǒng)的節(jié)距給定額值。變槳距系統(tǒng)根據(jù)給定的速度參考值，調(diào)整節(jié)距角。為了并網(wǎng)的安全和對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響減小到最小，變槳距系統(tǒng)可以跟隨在同步轉(zhuǎn)速附近，等待最佳并網(wǎng)時機。2.4.2欠功率狀態(tài)欠功率狀態(tài)是指當(dāng)并入電網(wǎng)后，由于風(fēng)速低于額定風(fēng)速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率狀態(tài)運行。這時候的變槳距風(fēng)力發(fā)電機組與定槳距風(fēng)力發(fā)電機組是相同，獲得的功率取決與槳葉的氣動性能。從理論上說，根據(jù)風(fēng)速的變化，風(fēng)輪可在限定的任何轉(zhuǎn)速下運行，以便最大限度地獲得能量，但由于速度的限制，為了有效地獲取風(fēng)能的同時，保證安全運行，必須階段分為兩個和風(fēng)速，最大允許轉(zhuǎn)速和區(qū)域額定功率有關(guān)的區(qū)域：1）變速運行區(qū)域(Cp恒定區(qū))；2）恒速運行區(qū)域。模式I：變速、最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax。為了讓捕獲的風(fēng)能達到最大，當(dāng)?shù)陀陬~定風(fēng)速的時候，風(fēng)力機必須通過跟蹤最大風(fēng)力利用系數(shù)來Cpmax來實現(xiàn)效率的最大化。此時風(fēng)力機葉片槳距角夕被固定在最優(yōu)值βopt。在給定風(fēng)速v下，需要通過不斷的調(diào)節(jié)風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速來使工作在最佳葉尖速比λopt。為了保證葉尖速比在最佳值，需要通過調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速跟蹤速度參考值ωopt。速度參考值可以表示為ωopt=λoptvw/R式中：R為風(fēng)力機風(fēng)輪半徑。模式II：定速、變?nèi)~尖速比這是一個中間區(qū)域，當(dāng)風(fēng)速達到風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，達到限制，風(fēng)能利用系數(shù)Cp兆瓦直驅(qū)變槳距風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的印刷會降低，但風(fēng)力機捕獲風(fēng)能，將繼續(xù)增加。2.4.3額定功率狀態(tài)當(dāng)風(fēng)速達到或超過額定風(fēng)速時，風(fēng)機在額定功率狀態(tài)，在傳統(tǒng)的節(jié)距控制模式，那么速度控制切換到功率控制，變槳距系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)電機的功率信號控制。對于一個給定的值的額定功率控制信號，功率反饋信號與給定值比較，當(dāng)功率大于額定功率，葉片槳迎風(fēng)面積減小的方向旋轉(zhuǎn)，反之亦然迎風(fēng)面積增加方向旋轉(zhuǎn)本文只針對大風(fēng)速時實施的槳距角控制進行討論，風(fēng)機變槳原理圖如下：圖9模式Ill：變速、定功率輸出當(dāng)風(fēng)速超過額定值時，由于風(fēng)機的機械和電氣極限必須限制從風(fēng)，即捕獲的能量，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸出功率保持在極限值。對應(yīng)的第二和第三狀態(tài)，根據(jù)風(fēng)速的大小，最大速度與發(fā)電機額定功率允許，變速變槳距風(fēng)力機可分為三個工作狀態(tài)如圖所示：圖10V0——風(fēng)力機切入風(fēng)速。V1——達到最大允許轉(zhuǎn)速時的風(fēng)速。V2——額定風(fēng)速。V3——切出風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速達到切出風(fēng)速后，為了保證安全可靠運行、獲得最大風(fēng)能、有好的電能質(zhì)量，系統(tǒng)將會停機。由此可以總結(jié)出發(fā)電機的基本控制策略：1）低于額定風(fēng)速時，控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，以獲得最大風(fēng)能；高于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)槳距角來限制風(fēng)能捕獲，保持輸出功率恒定；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機需要脫離電網(wǎng)的時候，變槳距系統(tǒng)會先轉(zhuǎn)動葉片使得發(fā)電機組減小功率，在發(fā)電機與電網(wǎng)斷開之前，功率減小到零，這意味著當(dāng)發(fā)電機與電網(wǎng)脫開時，沒有轉(zhuǎn)矩作用于風(fēng)力發(fā)電機組，避免了定槳距風(fēng)力發(fā)電機組上每次脫網(wǎng)的時候所要經(jīng)歷的突甩負載的過程。2.5本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是：空氣力學(xué)、葉素理論和以及葉素的作用力與速度，并且在這個的基礎(chǔ)上研究了變槳距風(fēng)力發(fā)電機組變槳距的控制原理和三種運行狀態(tài)，以及是調(diào)節(jié)槳距角輸出功率的關(guān)聯(lián)。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)建模3.1直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的主要組成部分有：葉片、轉(zhuǎn)子、定子、控制柜等?？刂乒瘛⒆儤到y(tǒng)等都安裝在機艙殼內(nèi)。系統(tǒng)可根據(jù)風(fēng)速來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速從而達到跟蹤最大風(fēng)能捕獲的效果。圖113.2變槳系統(tǒng)變槳結(jié)構(gòu)如下圖所示，其主要結(jié)構(gòu)有變槳驅(qū)動電機、齒輪箱、內(nèi)齒變槳軸承。圖123.3風(fēng)力機模型風(fēng)力機的參數(shù)葉尖速比、風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)力捕獲的機械功率、風(fēng)輪的機械轉(zhuǎn)矩如下：1)葉尖速比：λ=2ΠRn/v=ωR/v2）風(fēng)能利用系數(shù)：Cp（λ，β）=2P/ρSv33）風(fēng)力捕獲的機械功率：Pmec=Cpρv3S/24）風(fēng)輪的機械轉(zhuǎn)矩：TM=ρπR3CPv3/λ3.4永磁同步發(fā)電機模型本文在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立的永磁同步發(fā)電機組數(shù)學(xué)模型為：式中：Id-直軸電流；iq-交軸電流；Ld-直軸電感；Lq交軸電感；Ra為定子電阻；ωe為電角頻率，ωe=npωg；np為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)；λ0為永磁體的磁鏈；Ud-交軸電壓分量； Uq-交軸電壓分量。定義q軸的反電勢eq=ωeλ0，d軸的反電勢已ed=0，假設(shè)發(fā)電機d軸和q軸電感相等1.23，即Ld=Lq，則上一個式子可寫為：3.5統(tǒng)一變槳距的模糊PID功率控制器設(shè)計PID控制器是以其算法簡單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點。模糊的傳統(tǒng)PID相較與PID有明顯得優(yōu)勢，它不僅克服了線性控制的問題，還能很好的適應(yīng)非線性系統(tǒng)。PID控制室偏差比例（P）、偏差積分（I）、偏差微分（D）控制的簡稱。其模擬的框架圖如下：圖13模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心算法，其模糊條件語句為：。其中：E——功率偏差；EC——功率偏差的變化率；U——槳距角變化量?？刂埔?guī)則選取的基本原則是，當(dāng)功率偏差較大時，以考慮快速消除偏差為主；當(dāng)功率偏差較小時，主要考慮避免過大超調(diào)，保證1.37系統(tǒng)穩(wěn)定。在Simulink中，可搭建的模糊PID控器模塊如下圖所示。圖143.6統(tǒng)一變槳距功率控制仿真統(tǒng)一變槳距功率控制是機組起動后變槳距系統(tǒng)最主要的任務(wù)，通過實驗的控制效果是評變槳距系統(tǒng)的重要依據(jù)。根據(jù)統(tǒng)一槳距功率控制原理建立機組各部分模型的連接。提出PID整定策略，并依此總結(jié)出模糊控制規(guī)則，再由模糊運算法則，推出模糊控制查詢表（略）。仿真的電機模型的數(shù)據(jù)如下表所示，采用國產(chǎn)兆瓦級變速恒頻雙饋風(fēng)電機組如下表?？偟南到y(tǒng)仿真Simulink模型如圖15b所示。統(tǒng)一變槳系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖16所示。圖15圖16風(fēng)速是隨機變化的，由以上結(jié)果可得：節(jié)距角β跟蹤風(fēng)速而變